网络层协议IP - 技术栈

对于网络层我们直接通过IP协议来了解其内容

一.IP协议

首先我们先来了解几个概念：

主机：配有IP地址，但是不进行路由控制的设备

路由器：配有IP地址，同时进行路由控制的设备

节点：主机和路由器的统称

所以现在我们的重点就是IP的了解，什么是IP？？？

结合前面我们学过的应用层和传输层，和容易得出IP也是存在协议格式的，下面我们来重点学习IP协议的格式：

下面我们来一一解释其作用：

4 位版本号(version)：表示指定IP协议的版本，现在是存在IPv4和IPv6两种的，对于 IPv4 来说, 就是 4.

4 位头部长度(header length)：指的是IP头部的长度，一般是以32bit为单位的，由于长度只有四个bit，所以最大可以表示的字节数为60
8 位服务类型(Type Of Service):3 位优先权字段(已经弃用), 4 位 TOS 字段, 和1 位保留字段(必须置为 0). 4 位 TOS 分别表示: 最小延时, 最大吞吐量, 最高可靠性,最小成本. 这四者相互冲突, 只能选择一个. 对于 ssh/telnet 这样的应用程序, 最小延时比较重要; 对于 ftp 这样的程序, 最大吞吐量比较重要.
16 位总长度(total length): IP 数据报整体占多少个字节.
16 位标识(id): 唯一的标识主机发送的报文. 如果 IP 报文在数据链路层被分片了, 那么每一个片里面的这个 id 都是相同的.
3 位标志字段: 第一位保留(保留的意思是现在不用, 但是还没想好说不定以后要用到). 第二位置为 1 表示禁止分片, 这时候如果报文长度超过 MTU, IP 模块就会丢弃报文. 第三位表示"更多分片", 如果分片了的话, 最后一个分片置为 0, 其他是 1. 类似于一个结束标记.
13 位分片偏移(framegament offset): 是分片相对于原始 IP 报文开始处的偏移.其实就是在表示当前分片在原报文中处在哪个位置. 实际偏移的字节数是这个值 8得到的. 因此, 除了最后一个报文之外, 其他报文的长度必须是 8 的整数倍(否则报文就不连续了).
8 位生存时间(Time To Live, TTL): 数据报到达目的地的最大报文跳数. 一般是64. 每次经过一个路由, TTL -= 1, 一直减到 0 还没到达, 那么就丢弃了. 这个字段主要是用来防止出现路由循环
8 位协议: 表示上层协议的类型
16 位头部校验和: 使用 CRC 进行校验, 来鉴别头部是否损坏.
32 位源地址和 32 位目标地址: 表示发送端和接收端.
选项字段(不定长, 最多 40 字节):一般不涉及，大家可以后序自己学习
IP我们现在已经做到简单了解了，现在我们再来学习IP的划分：

IP地址一般分为：网络号+主机号

网络号: 保证相互连接的两个网段具有不同的标识
主机号: 同一网段内, 主机之间具有相同的网络号, 但是必须有不同的主机号
在同一网段中网络号是相同的，但是主机号是不同的，所以网络号+主机号可以表示网络中唯一一台主机

所以，我们常说的子网，实际上是指将网络号相同的主机放在一起组成的网络，当一台主机入子网，实际上是将该主机的网络号设置为与子网中其他主机一样，而主机号必须与其他主机不同

补充：手动分配入网的主机过于麻烦，所以存在一种叫DHCP，可以给主机给分配ip

下面我们再来看一种IP划分规则：

A 类 0.0.0.0 到 127.255.255.255
B 类 128.0.0.0 到 191.255.255.255
C 类 192.0.0.0 到 223.255.255.255
D 类 224.0.0.0 到 239.255.255.255
E 类 240.0.0.0 到 247.255.255.255
大家很显然发现不同的类别后序由于网络号和主机号长度问题可以划分的种类差别非常大，所以大部分都是申请了B类，这也导致B 类地址很快就分配完了, 而 A 类却浪费了大量地址

因此这种方案被抛弃，出现了一种新的方案：

CIDR：

该方案是如何实现网段划分的呢？？

该方案通过引入一个额外的子网掩码(subnet mask)来区分网络号和主机号，子网掩码也是一个 32 位的正整数. 通常用一串 "0" 来结尾，将 IP 地址和子网掩码进行 "按位与" 操作, 得到的结果就是网络号，网络号和主机号的划分与这个 IP 地址是 A 类、 B 类还是 C 类无关;
可见,IP 地址与子网掩码做与运算可以得到网络号, 主机号从全 0 到全 1 就是子网的地址范围

二.IP协议扩展

将IP地址中主机部分全部设置为0，就是一个网络号，这可以表示一个局域网

将IP地址中主机部分全部设置为1，就是一个广播地址，用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包

127.*的 IP 地址用于本机环回(loop back)测试,通常是 127.0.0.1
我们知道IP地址是存在数量限制的，现在我们来仔细计算下IP的大小：IP是4字节32比特位大小，即2^32次方，大约43亿左右，由于每台主机都需要一个IP地址，这表明我们大约只有43亿左右的主机可以接入网络，对于全球70亿以上来说是远远不够的，所以我们需要想到一定的解决方案，实际上我们确实有接剧情方案：

1.动态分配 IP 地址: 只给接入网络的设备分配 IP 地址. 因此同一个 MAC 地址的设备, 每次接入互联网中, 得到的 IP 地址不一定是相同的;

2.NAT技术

3.IPv6: IPv6 并不是 IPv4 的简单升级版. 这是互不相干的两个协议, 彼此并不兼容; IPv6 用 16 字节 128 位来表示一个 IP 地址; 但是目前 IPv6 还没有普及

关于动态分配IP和IPv6大家可以自行去了解，后面我们来重点讲解NAT这种技术

三.NAT技术

在学习NAT技术之前，我们先来学习公网IP地址和私有IP地址

我们知道IP地址间可以没什么区别的，但是RFC 1918 规定了用于组建局域网的私有 IP 地
址，所以出现了某些IP地址只能用来构建私有IP，其他来构建公有IP

下面我们来看看私有IP：

10.*,前 8 位是网络号,共 16,777,216 个地址
172.16.*到 172.31.*,前 12 位是网络号,共 1,048,576 个地址
192.168.*,前 16 位是网络号,共 65,536 个地址
包含在这个范围中的, 都成为私有 IP, 其余的则称为全局 IP(或公网 IP）
那么区分公有IP和私有IP有什么意义呢？

简单来说，私有IP是可以重复出现的，即在多个局域网中私有IP是可以相同的，下面我们就来详细讲解：

首先，我们要想知道路由器这个设备:

配置两个 IP 地址, 一个是 WAN 口 IP, 一个是 LAN 口 IP(子网IP)
LAN 口连接的主机, 都从属于当前这个路由器的子网中
路由器 LAN 口连接的主机, 都从属于当前这个路由器的子网中
不同的路由器, 子网 IP 其实都是一样的(通常都是 192.168.1.1). 子网内的主机IP 地址不能重复. 但是子网之间的 IP 地址就可以重复了
如下图：

我们结合上图发现，不同的主机的ip存在相同，但是相同的ip所在的局域网不同，这样我们就可以大大缓解ipv4数量不足的问题：即通过局域网ip规范使网络中所需ip数量大大减少的技术，简称NAT技术

现在问题来了，我们的网络中存在主机IP相同情况，那么该如何解决网络传输的问题，即如何在网络中识别不同的主机（该不同主机ip相同）？？？

子网内的主机需要和外网进行通信时, 路由器将 IP 首部中的 IP 地址进行替换(替换成 WAN 口 IP), 而WANip一定不同，这样逐级替换, 最终数据包中的 IP 地址成为一个公网 IP. 这种
技术称为 NAT(Network Address Translation，网络地址转换)，这也是解决上述问题的方案：即通过IP替换来解决不同局域网IP相同情况

总而言之，网络是经过精心设计的，蕴含无穷的奥妙与智慧，希望大家可以更加深入学习。